張作良

（三一重工股份有限公司，湖南 長沙 410100）

0 引言

混凝土泵車工作環(huán)境惡劣，工況復(fù)雜多變，正常工作時，液壓泵始終在高壓大流量狀態(tài)下，雙缸換向頻繁，液壓系統(tǒng)容易出現(xiàn)故障。且液壓系統(tǒng)各元件在封閉的油路內(nèi)工作，發(fā)生故障時，常常不易立即找出故障部位和根源，檢修周期長，從而造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。因此開展泵車液壓系統(tǒng)故障診斷技術(shù)的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文以三一重工的SY5368T HB-45型號泵車液壓系統(tǒng)為例，建立故障樹模型，對主油缸故障加以分析。

1 故障樹分析方法的原理［1-3］

所謂故障樹就是把所研究系統(tǒng)最不希望發(fā)生的故障狀態(tài)作為故障分析的目標(biāo)，稱為頂事件，不再深究的事件稱為底事件，介于頂事件和底事件之間的一切事件稱為中間事件，用相應(yīng)的符號代表這些事件，再用適當(dāng)?shù)倪壿嬮T把頂事件、中間事件和底事件聯(lián)接成樹形圖。故障樹分析法是一種適用于復(fù)雜系統(tǒng)可靠性和安全性分析的有效工具，是一種在提高系統(tǒng)可靠性的同時又能最有效地提高系統(tǒng)安全性的方法，其分析方法有定性分析和定量分析兩種。

2 混凝土泵車液壓系統(tǒng)故障樹的建立

混凝土泵車的液壓系統(tǒng)由泵送液壓回路、輔助液壓回路、臂架系統(tǒng)液壓回路組成。其中最為重要的是泵送液壓回路，小排量泵送系統(tǒng)液壓回路如圖1所示。

本文以“泵送主油路無壓力”為頂事件建立故障樹模型，如圖2所示。其中，頂事件T為主油路無壓力，中間事件Mi分別為電氣故障、閥故障、主油泵故障、主動液閥芯處于中位，底事件X i分別為主油路電磁閥不帶電、主泵比例閥不帶電、主溢流閥卡死、主溢流閥先導(dǎo)閥閥芯卡死或彈簧斷裂、插裝閥閥芯卡死、控制油路節(jié)流塞堵死、接近開關(guān)故障、主液動閥卡死、無換向壓力和小液動閥故障。

圖1 小排量泵送系統(tǒng)液壓回路

3 故障樹分析與排除

3.1 故障樹的定性分析

對故障樹進(jìn)行定性分析的目的是分析某故障的發(fā)生規(guī)律及特點(diǎn)，通過求取最小割集，找出導(dǎo)致頂事件發(fā)生的所有可能的故障模式，也即弄清系統(tǒng)出現(xiàn)最不希望發(fā)生的事件有多少種可能性，辨明潛在的故障。系統(tǒng)的最小割集是底事件數(shù)目不能再減少的割集，最小割集發(fā)生時，頂事件必然發(fā)生，研究最小割集可以找出故障樹的薄弱環(huán)節(jié)，所以故障樹的定性分析的任務(wù)就是要尋找故障樹的最小割集［4］。

目前國內(nèi)外已研制出多種計算機(jī)求解最小割集的方法，常用的算法有上行法、下行法和布爾割集法等［5］。本文采用下行法對“泵送主油路無壓力”故障進(jìn)行分析，得出該故障的最小割集為｛X1｝，｛X2｝，｛X3｝，｛X4｝，｛X5｝，｛X6｝，｛X7｝，｛X8｝，｛X9｝，｛X10｝。由最小割集可得本系統(tǒng)的故障模式為：“X1”主油路電磁閥不帶電、“X2”主泵比例閥不帶電、“X3”主溢流閥卡死、“X4”主溢流閥先導(dǎo)閥閥芯卡死或彈簧斷裂、“X5”插裝閥閥芯卡死、“X6”控制油路節(jié)流塞堵死、“X7”接近開關(guān)故障、“X8”主液動閥卡死、“X9”無換向壓力、“X10”小液動閥故障。

圖2 “泵送主油路無壓力”故障樹

所建系統(tǒng)故障樹的布爾代數(shù)運(yùn)算表達(dá)式為：

在最小割集的底事件中，階數(shù)越低的最小割集的重要性越大，顯然只由一個基本事件構(gòu)成的一階最小割集最重要。在本例“泵送主油路無壓力”故障樹中，所有的底事件均只出現(xiàn)一次，并且每一割集均為一階，因此，該系統(tǒng)的每一底事件都需引起重視。

3.2 故障樹的定量分析

3.2.1 頂事件的概率計算

故障樹除了定性地研究底事件和頂事件發(fā)生與否的關(guān)系外，還必須進(jìn)行定量分析。頂事件發(fā)生率決定于故障樹的結(jié)構(gòu)和各底事件的不可靠度［6］。對頂事件發(fā)生的概率進(jìn)行計算，求出底事件在故障樹中的重要度。假設(shè)底事件的發(fā)生概率服從指數(shù)分布，即：

其中：t為系統(tǒng)運(yùn)行時間；λ為由底事件X i引起的系統(tǒng)失效率。則頂事件的發(fā)生概率P（t）為：

本例故障樹中部件發(fā)生概率按t＝1 200 h計算，根據(jù)實(shí)際情況并結(jié)合以往故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計，列出各底事件的發(fā)生概率，見表1。經(jīng)計算可得頂事件的發(fā)生概率為6.048%。

3.2.2 底事件的重要度計算

在可靠性分配中引入重要度的依據(jù)是重要度大的元件對系統(tǒng)的影響程度也較大，所以在進(jìn)行可靠性分配時優(yōu)先提高重要度大的元件的可靠度［7］。

表1 泵送主油路無壓力的底事件故障率

（1）概率重要度：底事件概率重要度I Xi是底事件X i發(fā)生概率P Xi變化引起頂事件T發(fā)生概率變化的程度，其數(shù)學(xué)定義可用頂事件的發(fā)生概率對某個底事件發(fā)生概率的偏導(dǎo)數(shù)來表示，即：

泵車液壓系統(tǒng)主油缸故障樹中各底事件概率重要度計算結(jié)果見表2。各底事件概率重要度排序?yàn)椋?/p>

本系統(tǒng)中所有底事件都是一階最小割集，概率重要度值都較大。由表2可知底事件X9，X3，X4，X8概率重要度值相對較大。因此，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時，應(yīng)根據(jù)底事件概率重要度的大小順序?qū)ふ夜收习l(fā)生的原因。

（2）關(guān)鍵重要度：關(guān)鍵重要度是考慮事故頻率及嚴(yán)重度，它從敏感度和自身概率大小的雙重角度反映底事件的重要性。關(guān)鍵重要度是由底事件發(fā)生概率的變化率與頂事件發(fā)生概率的變化率之比確定的，其定義為：

關(guān)鍵重要度不僅反映了底事件發(fā)生概率變化對頂事件的發(fā)生概率變化的影響，也反映了底事件發(fā)生概率大小對頂事件發(fā)生概率大小的影響。I cXi越大說明X i引起系統(tǒng)發(fā)生故障的可能性越大。本文中液壓主油缸故障樹中各底事件的關(guān)鍵重要度計算結(jié)果見表2，各底事件關(guān)鍵重要度排序?yàn)椋?/p>

表2 底事件發(fā)生的概率重要度

3.3 故障排除

根據(jù)上述對“泵送主油路無壓力”故障的分析結(jié)果，可以定性、定量地確定系統(tǒng)故障的診斷順序，故障診斷檢查順序?yàn)椋篨9，X3，X4，X8，X6，X5，X7，X10，X1，X2。按照該例的分析方法，同樣可對整個混凝土泵車液壓系統(tǒng)故障進(jìn)行故障診斷和排查，利用觀察法，縮小系統(tǒng)故障診斷的范圍，然后按照故障診斷檢查順序表依次拆卸檢查故障部件，排除故障。

4 結(jié)論

通過將故障樹技術(shù)引入混凝土泵車液壓系統(tǒng)故障診斷中，對液壓系統(tǒng)的可靠性、安全性進(jìn)行定性分析，求出所有最小割集；對系統(tǒng)故障樹進(jìn)行定量計算，確定最小割集及其組成單元的診斷順序，在一定程度上避免了發(fā)生概率小的最小割集優(yōu)先診斷的情況，提高了系統(tǒng)的診斷準(zhǔn)確度。實(shí)際應(yīng)用表明：采用故障樹分析法對混凝土泵車的泵送液壓系統(tǒng)進(jìn)行故障分析，有助于快速診斷故障原因，為維修人員節(jié)省了診斷時間和維修成本，大大提高了液壓故障診斷的自動化與智能化水平。

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